JP2008155230A - Method for designing casting plan - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鋳造方案設計方法に係わり、詳細には、電子計算機によるシミュレーションを利用した鋳造方案設計方法に関する。 The present invention relates to a casting plan design method, and more particularly to a casting plan design method using simulation by an electronic computer.
健全で安価な鋳物を製造するためには、鋳造品の形状や鋳造の設計方針を事前に検討することが必要である。そのための手段の一つとして、電子計算機(以下、「コンピュータ」と称する)を用いた鋳造解析が広く用いられている。 In order to produce a sound and inexpensive casting, it is necessary to examine the shape of the casting and the design policy of the casting in advance. As one means for that purpose, casting analysis using an electronic computer (hereinafter referred to as “computer”) is widely used.
鋳造解析の種類は、流動解析、変形解析、伝熱凝固解析など多岐に渡り、特に、伝熱凝固解析は、鋳物の機械的特性の予測(例えば、鋳物の硬度や強度)、引け巣の予測、または金属組織の不良による鋳造欠陥の予測をするための重要な解析方法である(例えば、特許文献1および特許文献2)。 There are various types of casting analysis, such as flow analysis, deformation analysis, and heat transfer solidification analysis. In particular, heat transfer solidification analysis predicts mechanical properties of castings (for example, hardness and strength of castings) and shrinkage nests. It is an important analysis method for predicting casting defects due to defective metal structures (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
一般的な伝熱凝固解析は、解析モデル(解析対象物となる鋳物や鋳型領域を複数の要素(以下、「セル」と称する)に分割して構成されるモデル)において、相互に隣接するセル間の微少時間における熱流束を計算し、これを順次、微少時間間隔ごとに繰り返し、解析モデルの温度変化を求める解析方法である。 In general heat transfer solidification analysis, analysis models (models configured by dividing a casting or mold region to be analyzed into a plurality of elements (hereinafter referred to as "cells")) are adjacent to each other. In this analysis method, the heat flux in a minute time is calculated, and this is sequentially repeated at every minute time interval to obtain the temperature change of the analysis model.
各セル間の熱流束の計算は、セルごとに設定された熱物性値、例えば、凝固開始温度、凝固潜熱量、比熱、熱伝導率などを用いて行われる。 The calculation of the heat flux between the cells is performed using thermophysical values set for each cell, for example, solidification start temperature, solidification latent heat amount, specific heat, thermal conductivity, and the like.
ところで、日常の操業において鋳造条件が変動する場合、これに応じて鋳物の熱物性値も変動することが考えられる。熱物性値の変動は、鋳物の凝固形態に直接影響を与えるので、鋳物の品質に重大な影響を及ぼす可能性がある。 By the way, when casting conditions fluctuate in daily operations, it is conceivable that the thermophysical property value of the casting fluctuates accordingly. Variations in thermophysical values directly affect the solidification morphology of the casting and can therefore have a significant impact on the quality of the casting.
しかしながら、従来の伝熱凝固解析方法では、鋳造条件の変動にかかわらず、鋳物の熱物性値として1種類の鋳物の金属材種につき1水準の値のみを用い、解析結果が目標とする鋳物の品質を満足するまで解析モデルの形状を変化させて伝熱凝固解析を繰り返し実行していた。
したがって、上記従来の伝熱凝固解析方法では、鋳造条件の変動に係わらず解析に用いた1水準の鋳物の熱物性値に対しての鋳物の品質が保証されるに留まり、鋳造条件の変動に伴い変化する熱物性値に対しての鋳物の品質を保証することができないという問題点がある。 Therefore, in the above conventional heat transfer solidification analysis method, the quality of the casting with respect to the thermophysical property value of the one-level casting used for the analysis is guaranteed regardless of the fluctuation of the casting condition, and the fluctuation of the casting condition is not guaranteed. There is a problem that it is impossible to guarantee the quality of the casting against the thermophysical property value which changes with the above.
本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであり、鋳造条件が変動しても鋳物の品質を保証することができる鋳造方案設計方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a casting method design method capable of guaranteeing the quality of a casting even when casting conditions fluctuate.
上記目的を達成するための本発明に係る鋳造方案設計方法は、複数の要素から形成される解析モデルを用いた鋳物の伝熱凝固解析に基づく鋳造方案設計方法であって、前記解析モデルに対して複数水準の鋳物の鋳造条件を設定する段階と、前記複数水準の鋳物の鋳造条件にそれぞれ対応する前記鋳物の熱物性値を算出する段階と、前記算出した熱物性値を用いて、前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する前記鋳物の伝熱凝固解析を実行する段階と、前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する伝熱凝固解析から得られた情報が、所定の品質許容範囲内であるか否かを判定する段階と、を含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a casting plan design method according to the present invention is a casting plan design method based on heat transfer solidification analysis of a casting using an analysis model formed from a plurality of elements, A step of setting casting conditions for a plurality of levels of castings, a step of calculating thermophysical values of the castings corresponding to the casting conditions of the castings of the plurality of levels, and using the calculated thermophysical values, Performing heat transfer solidification analysis of the casting corresponding to each level of casting conditions, and information obtained from the heat transfer solidification analysis corresponding to each of the plurality of levels of casting conditions is within a predetermined acceptable quality range. Determining whether or not.
また、上記の目的を達成するために本発明に係る鋳物の鋳造方案設計装置は、複数の要素から形成される解析モデルを用いた鋳物の伝熱凝固計算に基づく鋳造方案設計装置であって、前記解析モデルに対して複数水準の鋳物の鋳造条件を設定する鋳造条件設定手段と、前記複数水準の鋳物の鋳造条件に対応する前記鋳物の熱物性値を算出する熱物性値算出手段と、前記算出した熱物性値を用いて、前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する前記鋳物の伝熱凝固解析を実行する伝熱凝固解析手段と、前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する伝熱凝固解析から得られた情報が、所定の品質許容範囲内か否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。 Further, in order to achieve the above object, a casting plan design apparatus for a casting according to the present invention is a casting plan design apparatus based on a heat transfer solidification calculation of a casting using an analysis model formed from a plurality of elements, Casting condition setting means for setting casting conditions for a plurality of levels of castings for the analysis model, thermophysical property value calculating means for calculating thermophysical values of the castings corresponding to the casting conditions for the plurality of levels of castings, Heat transfer solidification analysis means for executing heat transfer solidification analysis of the casting corresponding to each of the plurality of levels of casting conditions using the calculated thermophysical property values, and heat transfer solidification analysis corresponding to the plurality of levels of casting conditions, respectively. Determining means for determining whether or not the information obtained from the above is within a predetermined acceptable quality range.
また、上記の目的を達成するために本発明に係る鋳物の鋳造方案設計プログラムは、複数の要素から形成される解析モデルを用いた鋳物の伝熱凝固計算に基づく鋳造方案設計プログラムであって、前記解析モデルに対して複数水準の鋳物の鋳造条件を設定する手順と、前記複数水準の鋳物の鋳造条件に対応する前記鋳物の熱物性値を算出する手順と、前記算出した熱物性値を用いて、前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する前記鋳物の伝熱凝固解析を実行する手順と、前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する伝熱凝固解析から得られた情報が、所定の品質許容範囲内か否かを判定する手順と、をコンピュータに実行させることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a casting plan design program for a casting according to the present invention is a casting plan design program based on a heat transfer solidification calculation of a casting using an analysis model formed from a plurality of elements, Using a procedure for setting casting conditions for a plurality of levels of castings for the analysis model, a procedure for calculating thermophysical values of the castings corresponding to the casting conditions for the castings of multiple levels, and using the calculated thermophysical values The procedure for executing the heat transfer solidification analysis of the casting corresponding to each of the plurality of levels of casting conditions and the information obtained from the heat transfer solidification analysis corresponding to each of the plurality of levels of casting conditions include predetermined quality tolerances. And a procedure for determining whether or not it is within the range.
以上のように構成された本発明に係る鋳物の鋳造方案設計方法、鋳造方案設計装置、および鋳造方案設計プログラムによれば、複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する鋳物の熱物性値を算出して伝熱凝固解析を実行している。この結果、鋳造条件の変動に伴い変化する鋳物の熱物性値に対応した鋳物の品質を保証することができ、精度の高い鋳造方案設計方法を提供することができる According to the casting plan design method, the casting plan design device, and the casting plan design program of the casting according to the present invention configured as described above, the thermophysical property value of the casting corresponding to each of a plurality of levels of casting conditions is calculated. Conducts heat transfer solidification analysis. As a result, it is possible to guarantee the quality of the casting corresponding to the thermophysical property value of the casting which changes with the change of casting conditions, and to provide a highly accurate casting method design method.
本発明者は、鋳物の熱物性値の変化が鋳物の溶湯が凝固するときの温度変化を示す冷却曲線から読み取れることに着目した。そして、この冷却曲線から、鋳造条件と鋳物の熱物性値との関係式を導出し、この関係式を伝熱凝固解析に適用することによって、複数水準の鋳造条件に対応した鋳物の品質を予測することが可能となることを見出した。 The inventor has focused on the fact that the change in the thermophysical property value of the casting can be read from the cooling curve indicating the temperature change when the molten metal in the casting solidifies. From this cooling curve, a relational expression between the casting conditions and the thermophysical property value of the casting is derived, and by applying this relational expression to the heat transfer solidification analysis, the casting quality corresponding to multiple levels of casting conditions is predicted. I found out that it would be possible.
以下に、本発明に係る鋳造方案設計方法を第1実施形態および第2実施形態に分けて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同じ構成要素には、同じ参照番号を付してある。 Hereinafter, a casting plan design method according to the present invention will be described in detail by dividing it into a first embodiment and a second embodiment with reference to the drawings. Note that the same reference numerals are assigned to the same components.
まず、本発明に係る鋳造方案設計方法を実施するための鋳造方案設計装置について詳細に説明しておく。 First, a casting plan design apparatus for carrying out the casting plan design method according to the present invention will be described in detail.
図1は、本発明に係る鋳造方案設計方法を実施するための鋳造方案設計装置の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、本実施の形態における鋳造方案設計装置(以下、「コンピュータ」と称する)100は、CPU111、RAM113、ROM115、ハードディスク117、ディスプレイ121、および入力部131を備えており、これらは信号をやり取りするためのバス141を介して相互に接続されている。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a casting plan design apparatus for carrying out a casting plan design method according to the present invention. As shown in FIG. 1, a casting plan design apparatus (hereinafter referred to as “computer”) 100 according to the present embodiment includes a
コンピュータ100は、例えばパーソナルコンピュータなどの電子計算機であり、伝熱凝固解析プログラム(以下、「シミュレーションプログラム」と称する)に基づいて伝熱凝固解析を実行したり、解析結果から得られた情報を加工して表示したりするものである。解析結果から得られる情報は、例えばセルの温度の経時的変化、共晶凝固開始温度、凝固潜熱量、冷却速度、または凝固時間などであり、解析結果から得られる各種の情報(以下、これらの情報を「欠陥判定パラメータ」と称する)が該当する。そして、欠陥判定パラメータに基づき鋳物の比較・評価、例えば製品として合格品であるか否か(鋳物の品質が保証されているか否か)などの判断が行われる。
The
CPU111は、シミュレーションプログラムに基づいて上記各部の制御や伝熱凝固解析に必要な各種演算処理を実行するものである。CPU111は、鋳造条件設定部(鋳造条件設定手段)、熱物性値算出部(熱物性値算出手段)、伝熱凝固解析部(および伝熱計算手段および伝熱凝固解析手段)、判定部(判定手段)、冷却速度算出部(冷却速度算出手段)として機能する。
The
RAM113は、作業領域として一時的にプログラムやデータを記憶するものである。
The
ROM115は、コンピュータ100の基本動作を制御する各種プログラムやパラメータなどをあらかじめ格納しているものである。
The
ハードディスク117は、OS(オペレーティングシステム)やコンピュータ100の所定の動作を制御するためのプログラムやパラメータを格納するものである。ハードディスク117には、解析モデルの作成および変更、各種熱物性値の算出、解析結果から得られた情報の加工または表示、欠陥判定パラメータに基づく完成品の比較・評価を実行するプログラムなど、その他、一般的な伝熱凝固解析に必要なプログラムがあらかじめ記憶されている。さらに、ハードディスク117は、解析結果を記憶する記憶領域としても機能する。なお、伝熱凝固解析に必要なプログラムは、記録媒体(例えば、CD−ROM、DVD−ROMなどの記録媒体)にあらかじめ記憶されているものでも良く、この記録媒体からプログラムを直接読み取って伝熱凝固解析をコンピュータ100に実行させても良い。
The
ディスプレイ121は、例えばCRTディスプレイや液晶ディスプレイなどであり、解析結果によって得られた各種の情報を表示するものである。
The
入力装置131は、マウス、キーボード、またはタッチパネルなどのポインティングデバイスであり、ユーザーからの入力を受け付けるものである。
The
以上のように構成されたコンピュータ100を用いて、本発明に係る鋳造方案設計方法が実行される。
The casting plan design method according to the present invention is executed using the
以下に、本発明の第1実施形態に係る鋳造方案設計方法について図面を参照しながら詳細に説明する。 The casting plan design method according to the first embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図2から図9は、本発明の第1実施形態に係る鋳物の鋳造方案設計方法および鋳造方案設計装置の説明に供する図である。図2は、本実施の形態の鋳造方案設計方法によって設計される鋳物を例示したものを、図3は図1に示した鋳造方案設計装置の動作フローチャートを示し、このフローチャートは、本実施の形態に係る鋳造方案設計方法の手順に相当するものである。図4〜図9は本実施の形態に係る鋳造方案設計方法の処理内容を説明するために用いられる図である。
[First Embodiment]
FIGS. 2 to 9 are views for explaining a casting plan design method and a casting plan design apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows an example of a casting designed by the casting plan design method of the present embodiment, and FIG. 3 shows an operation flowchart of the casting plan design apparatus shown in FIG. This corresponds to the procedure of the casting plan design method according to the above. 4-9 is a figure used in order to demonstrate the processing content of the casting plan design method based on this Embodiment.
図2を参照しつつ、本実施の形態の鋳造方案設計方法で設計される鋳物について説明する。図2は、本実施の形態の鋳造方案設計方法によって設計される鋳物200およびチラー210を示したものである。図2(A)に示すように、鋳物200は、車両用鋳鉄部品であって、ベース部200aとノーズ部200bとを備えるカム形状の部材である。図2(B)に示すように、鋳物200のベース部200aの肉厚は、ノーズ部200bの肉厚よりも薄く設計されている。したがって、ベース部200aの部位Aは軸孔加工されるため比較的低い硬度が求められる部位であり、ノーズ部200bの部位Bは耐摩耗性から比較的高い硬度が求められる部位である。本実施の形態では、鋳物200およびチラー210を解析モデルとしている。
With reference to FIG. 2, the casting designed by the casting plan design method of the present embodiment will be described. FIG. 2 shows a
また、本実施の形態では、鋳造条件として、鋳物の溶湯が溶解炉から注湯取鍋に出湯された時刻からの経過時間を示すフェーディング時間を用い、2水準のフェーディング時間に対して鋳造される鋳物200が所定の品質保証範囲内に含まれるか否かを判定する場合を例に挙げて説明する。以下、本実施の形態に係る鋳造方案設計方法を詳細に説明する。 Further, in the present embodiment, as casting conditions, a fading time indicating the elapsed time from the time when the molten metal of the casting is discharged from the melting furnace to the pouring ladle is used, and casting is performed for two levels of fading time. A case where it is determined whether or not the casting 200 to be performed is included in a predetermined quality assurance range will be described as an example. Hereinafter, the casting plan design method according to the present embodiment will be described in detail.
図3に示すように、まず、解析モデルに対して複数水準の鋳造条件を設定する(S300)。
)。具体的には、解析対象物となる鋳物の複数の要素から形成される解析モデルを作成し、この解析モデルに対して、鋳造に関する複数水準の鋳造条件を設定する。
As shown in FIG. 3, first, a plurality of levels of casting conditions are set for the analysis model (S300).
). Specifically, an analysis model formed from a plurality of elements of a casting to be analyzed is created, and a plurality of levels of casting conditions relating to casting are set for the analysis model.
解析モデルの作成は、解析モデルの作成に必要なデータ、例えば形状データ(解析対象となる鋳物の形状、鋳物の設計形状、鋳型の形状など、鋳物の凝固解析を行うために必要な形状データ)、要素分割数、鋳造時間、鋳物を形成する材料、鋳物の溶湯の温度など、一般的なシミュレーションに必要な各種データを入力装置131からコンピュータ100へ入力することによって開始され、入力された各種データに基づきコンピュータ100が演算することによって終了する。解析モデルはメッシュモデルとして作成される。初期条件の設定は、入力装置131から各種データをコンピュータ100へ入力することによって行なわれる。なお、解析モデルの作成に必要なデータや初期条件、鋳造条件などは、あらかじめハードディスク117などに記憶させておいても良いし、作業者が手入力しても良い。また、要素分割数はメッシュモデルのセル数(要素数)に等しく、要素分割はシミュレーションを行う際のメッシュモデルに対して行われる。セルとはメッシュモデルの各要素を指す。
The analysis model is created by data necessary for creating the analysis model, for example, shape data (shape data necessary for solidification analysis of the casting, such as the shape of the casting to be analyzed, the design shape of the casting, the shape of the mold) , Various data necessary for general simulation, such as the number of element divisions, casting time, material forming the casting, the temperature of the molten metal of the casting, etc. are input to the
前記鋳造条件の設定は、鋳物を形成する材料の成分、鋳物を形成する材料の溶湯温度、接種材の種類、接種材の添加量、またはフェーディング時間のうちの少なくともいずれか一つを鋳造条件として設定する。 The setting of the casting conditions includes at least one of the components of the material forming the casting, the molten metal temperature of the material forming the casting, the type of the inoculum, the added amount of the inoculum, or the fading time. Set as.
本実施の形態では、複数水準の鋳造条件として、フェーディング時間が0分(以下、「フェーディング時間0分」と称する)およびフェーディング時間が15分(以下、「フェーディング時間15分」と称する)の2つの水準の鋳造条件を設定している。既に説明したように、フェーディング時間とは、鋳物の溶湯が溶解炉から注湯取鍋に出湯した時刻を起点とした経過時間を意味し、このフェーディング時間が長いほど鋳物の溶湯の黒鉛化能は低下する。通常、生産工場におけるフェーディング時間は最長15分であることから、鋳造条件としてフェーディング時間0分およびフェーディング時間15分の2つの水準を採用している。 In the present embodiment, as the casting conditions of a plurality of levels, the fading time is 0 minute (hereinafter referred to as “fading time 0 minute”) and the fading time is 15 minutes (hereinafter referred to as “fading time 15 minutes”). 2 levels of casting conditions are set. As already explained, the fading time means the elapsed time starting from the time when the molten metal of the casting is poured from the melting furnace into the pouring ladle. The longer this fading time is, the more graphitization of the molten metal of the casting occurs. The performance declines. Usually, since the maximum fading time in a production factory is 15 minutes, two levels of the fading time of 0 minutes and the fading time of 15 minutes are adopted as casting conditions.
次に、設定された複数水準の鋳造条件のうち、一の鋳造条件を選択する(S310)。具体的には、鋳造条件であるフェーディング時間0分およびフェーディング時間15分のうちから一の鋳造条件を選択、例えば、フェーディング時間0分を選択する。 Next, one casting condition is selected from the set casting conditions of a plurality of levels (S310). Specifically, one casting condition is selected from among the casting conditions of fading time 0 minutes and fading time 15 minutes, for example, fading time 0 minutes is selected.
次に、選択した鋳物の鋳造条件に対応する熱物性値を算出する(S320)。熱物性値の算出は、上述したように、ハードディスク117にあらかじめ記憶されている鋳造条件と鋳物の熱物性値との関係式(例えば、鋳造条件に対応した熱物性値を算出する変換テーブル)を用いて、選択した鋳造条件に対応する鋳物の熱物性値を算出する。本実施の形態では、ステップS310の処理で選択された鋳造条件であるフェーディング時間0分に対応する熱物性値が算出される。
Next, a thermophysical value corresponding to the casting condition of the selected casting is calculated (S320). As described above, the thermophysical property value is calculated by using a relational expression (for example, a conversion table for calculating a thermophysical property value corresponding to the casting condition) between the casting condition stored in the
以下に、鋳造条件に対応する熱物性値の算出方法を詳細に説明する。本実施の形態では、鋳造条件としてフェーディング時間を採用しているので、フェーディング時間と熱物性値の一つである共晶凝固開始温度との関係を例に挙げて説明する。 Below, the calculation method of the thermophysical value corresponding to casting conditions is demonstrated in detail. In this embodiment, since fading time is adopted as casting conditions, the relationship between fading time and eutectic solidification start temperature, which is one of thermophysical values, will be described as an example.
図4は、フェーディング時間による鋳物の冷却曲線の変化を示したものである。横軸は時間、縦軸は温度を示している。冷却曲線A0はフェーディング時間0分の冷却曲線であり、このときの共晶凝固開始温度はT0である。冷却曲線A15はフェーディング時間15分の冷却曲線であり、このときの共晶凝固開始温度はT15である。図4に示すように、共晶凝固開始温度は、フェーディング時間が長くなるほど低下していく。これは、鋳造条件を変更した場合、鋳造条件の変更に伴い冷却曲線が変化するので、冷却曲線に対応する熱物性値も変化することを示している。 FIG. 4 shows the change in the cooling curve of the casting with the fading time. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents temperature. The cooling curve A 0 is a cooling curve with a fading time of 0 minutes, and the eutectic solidification start temperature at this time is T 0 . Cooling curve A 15 is a cooling curve of the fading time of 15 minutes, the eutectic solidification starting temperature at this time is T 15. As shown in FIG. 4, the eutectic solidification start temperature decreases as the fading time increases. This indicates that when the casting condition is changed, the thermophysical property value corresponding to the cooling curve also changes because the cooling curve changes with the change of the casting condition.
そして、これらの冷却曲線を数値化して処理することにより、フェーディング時間と共晶凝固開始温度との関係式を導出することができる。他の熱物性値も、同様にして導出することができる。 Then, by processing these cooling curves in numerical values, a relational expression between the fading time and the eutectic solidification start temperature can be derived. Other thermophysical values can be derived in the same manner.
次に、ステップS320の処理で算出した熱物性値を用いて、伝熱凝固解析を実行する(S330)。伝熱凝固解析の基本原理は、解析モデル(解析対象物となる鋳物や鋳型領域などを複数のセルに分割して構成されるモデル)において、セルの特徴に応じた熱物性値を設定し、相互に隣接するセル間の微少時間間隔における熱流束を計算する。そして、順次、微少時間間隔ごとに熱流束の計算を繰り返して解析モデルの温度変化を求める。 Next, heat transfer solidification analysis is performed using the thermophysical property values calculated in the process of step S320 (S330). The basic principle of heat transfer solidification analysis is to set the thermophysical property values according to the characteristics of the cell in the analysis model (model configured by dividing the casting or mold area to be analyzed into multiple cells) Calculate the heat flux at minute time intervals between adjacent cells. Then, the heat flux calculation is repeated for each minute time interval to obtain the temperature change of the analytical model.
熱流束の計算は、一般的な伝熱計算の手法を用いて実行される。ここで、セルの特徴に応じた設定とは、鋳物(例えば、図2に示す鋳物200)に属するセルに対しては所定の熱物性値が設定され、それ以外のセル、すなわち、鋳型領域(例えば、図2に示すチラー300)に属するセルに対してはそれぞれが属する材料の熱物性値が設定されることを意味する。熱物性値としては、例えば凝固開始温度、液相線温度、比熱、熱伝導率などの伝熱計算に必要な物性値である。 The calculation of the heat flux is executed using a general heat transfer calculation method. Here, the setting according to the characteristics of the cell means that a predetermined thermophysical property value is set for a cell belonging to a casting (for example, the casting 200 shown in FIG. 2), and other cells, that is, a mold region ( For example, for cells belonging to the chiller 300) shown in FIG. 2, it means that the thermophysical value of the material to which each belongs is set. The thermophysical property values are physical property values necessary for heat transfer calculation such as solidification start temperature, liquidus temperature, specific heat, and thermal conductivity.
なお、解析開始時においては、総てのセルに所定の初期温度が与えられているが、伝熱計算により、微少時間間隔後には初期温度は変化していく。解析開始時では、鋳物に属するセルの温度は、鋳型領域に属するセルの温度よりも高く設定されている。このため、伝熱計算の結果として鋳物に属するセルの温度は、当然、低下していくことになる。 At the start of analysis, a predetermined initial temperature is given to all the cells, but the initial temperature changes after a minute time interval by heat transfer calculation. At the start of analysis, the temperature of the cell belonging to the casting is set higher than the temperature of the cell belonging to the mold region. For this reason, the temperature of the cell which belongs to a casting as a result of heat transfer calculation naturally falls.
本実施の形態では、解析結果から得られた温度変化のデータを数値化して処理し、セルごとの冷却速度を算出している。冷却速度は、以下のように算出される。 In the present embodiment, the temperature change data obtained from the analysis result is digitized and processed, and the cooling rate for each cell is calculated. The cooling rate is calculated as follows.
セルが共晶凝固開始温度TL達した時点から微少時間間隔である‘Δt’時間だけ前の当該セルの温度をTとすると、冷却速度‘dT/dt’は、下記の式(1)で表せる。 Assuming that the temperature of the cell just before the Δt time which is a minute time interval from when the cell reaches the eutectic solidification start temperature TL is T, the cooling rate 'dT / dt' is expressed by the following equation (1). I can express.
このように、冷却速度を算出する理由は、冷却速度は鋳物の品質の指針となる鋳物の機械的特性、例えば、鋳物の硬度に影響を及ぼす重要な因子だからである(冷却速度と鋳物の硬度との関係の詳細な説明は後述する)。 Thus, the reason for calculating the cooling rate is that the cooling rate is an important factor that affects the mechanical properties of the casting, which is an indicator of the quality of the casting, for example, the hardness of the casting (cooling rate and hardness of the casting). A detailed description of the relationship will be given later).
次に、総ての鋳造条件に対して伝熱凝固解析を実行したか否かを判定する(S340)。総ての鋳造条件に対して伝熱凝固解析を実行していない場合(S340:NO)、他の鋳造条件が選択され(S370)、他の鋳造条件に基づきステップS320以下の処理を再び実行する。具体的には、フェーディング時間15分を選択し、ステップS310以下の処理を再び実行する。 Next, it is determined whether or not heat transfer solidification analysis has been executed for all casting conditions (S340). When the heat transfer solidification analysis is not executed for all casting conditions (S340: NO), other casting conditions are selected (S370), and the processing from step S320 onward is executed again based on the other casting conditions. . Specifically, the fading time of 15 minutes is selected, and the processes after step S310 are executed again.
そして、総ての鋳造条件に対して伝熱凝固解析を実行した場合(S340:YES)、当該鋳造条件に対応する伝熱凝固解析から得られた情報が、所定の品質許容範囲内であるか否かを判定する(S350)。具体的には、ステップS330の処理で算出されたセルごとの冷却速度に基づいて鋳物の硬度が算出され、算出された硬度が所定の品質許容範囲内(以下、「規格値」と称する)であるか否かを判定している。以下に、冷却速度と鋳物の硬度との関係およびステップS350の処理内容について詳細に説明する。 And when heat transfer solidification analysis is performed with respect to all the casting conditions (S340: YES), is the information obtained from the heat transfer solidification analysis corresponding to the said casting conditions within a predetermined quality tolerance range? It is determined whether or not (S350). Specifically, the hardness of the casting is calculated based on the cooling rate for each cell calculated in the process of step S330, and the calculated hardness is within a predetermined quality tolerance (hereinafter referred to as “standard value”). It is determined whether or not there is. Below, the relationship between a cooling rate and the hardness of a casting and the processing content of step S350 are demonstrated in detail.
図5は、冷却速度と鋳物の硬度との関係を示したものである。横軸は、図2に示す鋳物200の部位Cからの距離、縦軸は図2に示す鋳物200の硬度を示している。 FIG. 5 shows the relationship between the cooling rate and the hardness of the casting. The horizontal axis represents the distance from the part C of the casting 200 shown in FIG. 2, and the vertical axis represents the hardness of the casting 200 shown in FIG.
図5に示すように、冷却速度と鋳物の硬度とはほぼ比例関係を有している。 As shown in FIG. 5, the cooling rate and the hardness of the casting have a substantially proportional relationship.
前記規格値は、例えば、部位Cからの距離LAにおける部位A(図2(A)参照)の硬度の規格値はHA以下であり、部位Cからの距離LBにおける部位B(図2(A)参照)の硬度の規格値はHB以上であると定める。なお、既に説明したように、部位Aは比較的低い硬度が要求される部位であり、部位Bは比較的高い高度が要求される部位である。 The standard value is, for example, the standard value of hardness at a position at a distance L A from site C A (see FIG. 2 (A)) is less than H A, site in the distance L B from site C B (FIG. 2 standard value of hardness (a) reference) determined to be equal to or greater than H B. As already described, the part A is a part that requires a relatively low hardness, and the part B is a part that requires a relatively high altitude.
この場合、図5に示す関係から、部位Aの冷却速度はVA以下であり、部位Bの冷却速度はVB以上を規格値として要求されていることが分かる。なお、冷却速度は、鋳物の硬度に影響を及ぼす因子であるため、本実施の形態では、冷却速度と鋳物の硬度との関係から、規格値を定めている。 In this case, it can be seen from the relationship shown in FIG. 5 that the cooling rate of the part A is VA or less, and the cooling rate of the part B is required to be V B or more as a standard value. Since the cooling rate is a factor that affects the hardness of the casting, in the present embodiment, the standard value is determined from the relationship between the cooling rate and the hardness of the casting.
図6は、鋳物の先端部(図2における部位C)からの距離と冷却速度との関係を示したものである。横軸は、図2に示す部位Cからの距離、縦軸は冷却速度を示している。また、曲線C0はフェーディング時間0分、曲線C15はフェーディング時間15分の場合を示している。上述したように、部位Aの冷却速度はVA以下、部位Bの冷却速度はVB以上が規格値として要求されているが、図6に示すように、フェーディング時間0分の場合、部位Aの冷却速度は冷却速度VA以下の規格値を満たす一方、部位Bの冷却速度は冷却速度VB以上の規格値を満たしていない。 FIG. 6 shows the relationship between the distance from the tip of the casting (site C in FIG. 2) and the cooling rate. The horizontal axis represents the distance from the part C shown in FIG. 2, and the vertical axis represents the cooling rate. A curve C 0 shows a case where the fading time is 0 minute, and a curve C 15 shows the case where the fading time is 15 minutes. As described above, the following cooling speed V A of site A, but more than V B cooling rate of site B is is required as standard value, as shown in FIG. 6, when the fading time of 0 minutes, the site While the cooling rate of A satisfies the standard value of the cooling rate V A or less, the cooling rate of the part B does not satisfy the standard value of the cooling rate V B or more.
また、フェーディング時間15分の場合、部位Bの冷却速度は冷却速度VB以上の規格値を満たす一方、部位Aの冷却速度は冷却速度VA以下の規格値を満たしていない。ステップS350の処理では、このようにして、冷却速度と鋳物の硬度との関係から規格値内であるか否かを判定するようにしている。 When the fading time is 15 minutes, the cooling rate of the part B satisfies the standard value equal to or higher than the cooling rate V B, while the cooling rate of the part A does not satisfy the standard value equal to or lower than the cooling rate VA . In the process of step S350, in this way, it is determined whether the value is within the standard value from the relationship between the cooling rate and the hardness of the casting.
再び、ステップS350の処理内容の説明に戻る。上述のように、少なくとも一つの解析結果が規格値内でない場合(S350:NO)、解析モデルを変更する(S360)。解析モデルの変更は、例えば、図7に示すように、鋳鉄部品200のベース部200aの肉厚が大きくすると共に、チラー210の底部の容量が拡大するように変更する。なお、解析モデルの変更は、ユーザーが手動で実行しても良いし、ハードディスク117にあらかじめ記憶された解析モデルを自動的に読み込んで変更しても良い。なお、図7において図2と同じ構成要素には、同じ参照番号を付してある。そして、変更後の解析モデルを用いて、ステップS310以下の処理を繰り返す。
Again, it returns to description of the processing content of step S350. As described above, when at least one analysis result is not within the standard value (S350: NO), the analysis model is changed (S360). For example, as shown in FIG. 7, the analysis model is changed so that the thickness of the
そして、総ての鋳造条件に対応する伝熱凝固解析から得られた結果が、規格値内であると判定した場合、処理を終了する(S350:YES)。具体的には、以下のような処理が実行されている。 And when it determines with the result obtained from the heat-transfer solidification analysis corresponding to all the casting conditions being within a specification value, a process is complete | finished (S350: YES). Specifically, the following processing is executed.
図8は解析モデルの変更後の鋳物の先端部(図7における部位C)からの距離と冷却速度との関係を示したものである。横軸は、図7に示す部位Cからの距離、縦軸は冷却速度を示している。また、曲線C’0はフェーディング時間0分、曲線C’15はフェーディング時間15分の場合を示している。 FIG. 8 shows the relationship between the distance from the tip of the casting after the change of the analysis model (part C in FIG. 7) and the cooling rate. The horizontal axis represents the distance from the part C shown in FIG. 7, and the vertical axis represents the cooling rate. A curve C ′ 0 shows a case where the fading time is 0 minute, and a curve C ′ 15 shows a case where the fading time is 15 minutes.
図8に示すように、フェーディング時間0分の場合、部位Aの冷却速度は冷却速度VA以下の規格値を満たし、部位Bの冷却速度は冷却速度VB以上の規格値を満たしている。 As shown in FIG. 8, when the fading time is 0 minute, the cooling rate of the part A satisfies the standard value of the cooling rate V A or less, and the cooling rate of the part B satisfies the standard value of the cooling rate V B or more. .
また、図7に破線で示されるフェーディング時間15分の場合、部位Bの冷却速度は冷却速度VB以上の規格値を満たし、部位Aの冷却速度は冷却速度VA以下の規格値を満たしている。 In addition, when the fading time is 15 minutes indicated by the broken line in FIG. 7, the cooling rate of the part B satisfies the standard value of the cooling rate V B or more, and the cooling rate of the part A satisfies the standard value of the cooling rate VA or less. ing.
このように、規格値を満たすまで解析モデルの形状を変更し、鋳造条件のフェーディング時間0分とフェーディング時間15分の2水準に対する解析結果が規格値を満たせば処理を終了する。 In this way, the shape of the analysis model is changed until the standard value is satisfied, and the processing is terminated if the analysis results for the two levels of the casting condition fading time 0 minutes and fading time 15 minutes satisfy the standard values.
以上のように構成された本発明に係る鋳物の鋳造方案設計方法およびその方案設計装置によれば、複数水準の鋳造条件に対応した熱物性値が算出され、算出された熱物性値を用いて伝熱凝固解析が実行される。そして、解析結果に基づいて鋳物の品質が判定され、鋳物の品質が所定の規格値内であると判定されるまで解析モデルが変更され、伝熱凝固解析が繰り返し実行される。この結果、鋳造条件の変動に伴い変化する鋳物の熱物性値に対応した鋳物の品質を保証することができ、精度の高い鋳造方案設計方法を提供することができる。 According to the casting plan design method and the plan design apparatus for a casting according to the present invention configured as described above, thermophysical values corresponding to a plurality of levels of casting conditions are calculated, and the calculated thermophysical values are used. A heat transfer solidification analysis is performed. Then, the quality of the casting is determined based on the analysis result, the analysis model is changed until it is determined that the quality of the casting is within a predetermined standard value, and the heat transfer solidification analysis is repeatedly executed. As a result, it is possible to guarantee the quality of the casting corresponding to the thermophysical property value of the casting that changes with the change in casting conditions, and to provide a highly accurate casting method design method.
[第2実施形態]
第1実施形態では、鋳物の熱物性値が鋳造条件によって変化することを考慮することで、従来の方法よりも、精度の高い解析結果を得ることができることを説明した。鋳造条件は、主として鋳型に注湯されるまでの因子であるが、鋳型に注湯された後、鋳物の熱物性値に影響を及ぼす因子もある。鋳型に注湯された後、鋳物の熱物性値に影響を及ぼす因子として鋳物の溶湯の冷却速度が挙げられる。そこで、本実施の形態では、鋳造条件に応じて熱物性値が変化することに加えて、鋳物の溶湯の冷却速度に応じて鋳物の熱物性値が変化する場合について述べる。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, it has been explained that an analysis result with higher accuracy than that of the conventional method can be obtained by considering that the thermophysical property value of a casting changes depending on casting conditions. The casting conditions are mainly factors until the molten metal is poured into the mold, but there are also factors that affect the thermophysical property value of the casting after being poured into the mold. After pouring into the mold, a factor that affects the thermophysical property value of the casting is the cooling rate of the casting melt. Therefore, in the present embodiment, a case will be described in which the thermophysical property value of the casting changes in accordance with the cooling rate of the molten metal in addition to the change of the thermophysical property value in accordance with the casting conditions.
図9から図12は、本発明の実施の形態に係る鋳物の伝熱凝固解析方法の説明に供する図である。図9および図10は図1に示した鋳造方案設計装置の動作フローチャートを示し、このフローチャートは、本実施の形態に係る鋳造方案設計方法の手順に相当するものである。図11から図12は、本実施の形態に係る鋳造方案設計方法における熱物性値の算出方法を説明するために用いられる図である。なお、本実施の形態において第1実施形態と同じ鋳造条件で処理を実行している。したがって、第1実施形態と同じ処理内容については、重複記載を避けるため詳細な説明は省略する。 9 to 12 are diagrams for explaining the heat transfer solidification analysis method for a casting according to the embodiment of the present invention. 9 and 10 show an operation flowchart of the casting plan design apparatus shown in FIG. 1, and this flowchart corresponds to the procedure of the casting plan design method according to the present embodiment. FIG. 11 to FIG. 12 are diagrams used for explaining a thermophysical property calculation method in the casting method design method according to the present embodiment. In the present embodiment, the processing is performed under the same casting conditions as in the first embodiment. Accordingly, the same processing contents as those in the first embodiment will not be described in detail in order to avoid redundant description.
図9に示すように、まず、解析モデルに対して複数水準の鋳造条件を設定する(S400)。 As shown in FIG. 9, first, a plurality of levels of casting conditions are set for the analysis model (S400).
次に、設定された複数水準の鋳造条件のうち一の鋳造条件を選択する(S410)。 Next, one casting condition is selected from the set casting conditions of a plurality of levels (S410).
次に、選択した鋳造条件に対応する熱物性値を算出する(S420)。ステップ420の処理において算出される熱物性値は、図3のステップS320の処理と同様に算出される熱物性値であるが、これは、鋳造条件であるフェーディング時間のみを考慮した熱物性値であるので、本実施の形態では、鋳物の溶湯の凝固前の熱物性値(以下、「凝固前の熱物性値」と称する)を意味する。 Next, a thermophysical value corresponding to the selected casting condition is calculated (S420). The thermophysical property value calculated in the processing of step 420 is a thermophysical property value calculated in the same manner as the processing of step S320 in FIG. 3, but this is a thermophysical property value considering only the fading time that is a casting condition. Therefore, in the present embodiment, it means a thermophysical value before solidification of a cast molten metal (hereinafter referred to as “thermophysical value before solidification”).
次に、ステップS420の処理で算出された熱物性値を用いて、伝熱凝固解析処理が実行される(S430)。ここで、ステップS430の処理内容について詳細に説明する。 Next, heat transfer coagulation analysis processing is executed using the thermophysical property values calculated in step S420 (S430). Here, the processing content of step S430 will be described in detail.
図10は、ステップS430のサブルーチンの処理内容を示すフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart showing the processing contents of the subroutine of step S430.
図10に示すように、まず、解析モデルに対してステップS420の処理で算出された凝固前の熱物性が設定され、相互に隣接するセル間の伝熱計算を実行する(S431)。凝固前の熱物性値の設定はセルの特徴に応じて設定し、伝熱計算を実行する。 As shown in FIG. 10, first, the thermophysical property before solidification calculated in the process of step S420 is set for the analysis model, and the heat transfer calculation between cells adjacent to each other is executed (S431). The thermophysical property value before solidification is set according to the characteristics of the cell, and the heat transfer calculation is executed.
次に、伝熱計算の結果に基づきセルの温度が所定の温度(以下、「冷却速度算出温度」と称する)に達したか否かを判定する(S432)。セルが冷却速度算出温度に達しない場合、ステップS431以下の処理を繰り返し(S432:NO)、セルの温度が冷却速度算出温度に達した場合(S432:YES)、ステップS433の処理に進む。ステップS432の処理では、セルごとに冷却速度算出温度に達したか否かを判定している。 Next, based on the result of the heat transfer calculation, it is determined whether or not the cell temperature has reached a predetermined temperature (hereinafter referred to as “cooling rate calculation temperature”) (S432). If the cell does not reach the cooling rate calculation temperature, the processing from step S431 is repeated (S432: NO). If the cell temperature reaches the cooling rate calculation temperature (S432: YES), the process proceeds to step S433. In the process of step S432, it is determined whether or not the cooling rate calculation temperature has been reached for each cell.
次に、冷却速度算出温度に達したセルに対して、当該セルの冷却速度を算出する(S433)。以下に、ステップS433における冷却速度の算出方法を詳細に説明する。 Next, for the cell that has reached the cooling rate calculation temperature, the cooling rate of the cell is calculated (S433). Below, the calculation method of the cooling rate in step S433 is demonstrated in detail.
セルの温度が所定の温度に達した時点におけるセルの温度をTn、当該セルが所定の温度に達した時点から微少時間間隔である‘Δt’時間だけ前の当該セルの温度をTn−1とすると、冷却速度‘dT/dt’は、下記の式(2)で表される。 The cell temperature at the time when the cell temperature reaches the predetermined temperature is T n , and the temperature of the cell before the time “Δt” that is a minute time interval from the time when the cell reaches the predetermined temperature is T n−. Assuming 1 , the cooling rate 'dT / dt' is expressed by the following equation (2).
なお、冷却速度算出温度は任意の温度に設定することができるが、設定する温度は、実際の鋳造における共晶凝固開始温度以上であることが好ましい。しかしながら、現時点における解析上では、実際の鋳造における共晶凝固開始温度は未知である。そこで、冷却速度算出温度としては、鋳物の溶湯が無限遠の時間をかけて平衡凝固したときの共晶凝固開始温度とすることが好ましく、特に鋳物を形成する材料が鋳鉄の場合には、鋳物溶湯中の炭素が完全黒鉛化したときの共晶凝固開始温度とすることが好ましい。このような温度を設定すれば、解析モデルのうち、どのセルにおいても冷却速度算出温度が実際の鋳造における共晶凝固開始温度より低くなることが避けられるからである。 The cooling rate calculation temperature can be set to an arbitrary temperature, but the set temperature is preferably equal to or higher than the eutectic solidification start temperature in actual casting. However, in the analysis at present, the eutectic solidification start temperature in actual casting is unknown. Therefore, the cooling rate calculation temperature is preferably the eutectic solidification start temperature when the molten casting is solidified over an infinite amount of time, particularly when the material forming the casting is cast iron. It is preferable to set the eutectic solidification start temperature when the carbon in the molten metal is completely graphitized. This is because if such a temperature is set, the cooling rate calculation temperature in any cell of the analysis model can be prevented from being lower than the eutectic solidification start temperature in actual casting.
次に、算出した冷却速度に基づき、前記鋳物の溶湯の共晶凝固が開始されるときの凝固時の熱物性値(以下、「凝固時の熱物性値」と称する)と前記鋳物の溶湯の共晶凝固が完了した後の凝固後の熱物性値(以下、「凝固後の熱物性値」と称する)とを算出する(S434)。凝固時の熱物性値および凝固後の熱物性値は、ステップS433の処理から求めた冷却速度を用いてセルごとに算出される。 Next, based on the calculated cooling rate, the thermophysical value at the time of solidification when eutectic solidification of the molten metal of the casting is started (hereinafter referred to as “thermophysical value at the time of solidification”) and the molten metal of the casting A thermophysical value after solidification after eutectic solidification is completed (hereinafter referred to as “thermophysical value after solidification”) is calculated (S434). The thermophysical value at the time of solidification and the thermophysical value after the solidification are calculated for each cell by using the cooling rate obtained from the process of step S433.
以下に、凝固時の熱物性値および凝固後の熱物性値の算出方法を詳細に説明する。凝固時の熱物性値として、共晶凝固開始温度、凝固潜熱量の算出方法を例に挙げて説明する。 Below, the thermophysical value at the time of solidification and the calculation method of the thermophysical value after the solidification will be described in detail. A method for calculating the eutectic solidification start temperature and the solidification latent heat amount will be described as an example of thermophysical property values during solidification.
凝固時の熱物性値のひとつである共晶凝固開始温度TLおよび凝固潜熱量qは、冷却速度‘dT/dt’の関数として、以下の式で表すことができる。 The eutectic solidification start temperature TL and the solidification latent heat quantity q, which are one of the thermophysical values at the time of solidification, can be expressed by the following equations as a function of the cooling rate 'dT / dt'.
ここで、TLmaxは鋳物溶湯中の炭素元素が完全黒鉛化した場合の共晶凝固開始温度である。 Here, TLmax is the eutectic solidification start temperature when the carbon element in the casting melt is completely graphitized.
以下に、本実施の形態で用いられる式(3)、(4)の算出方法を詳細に説明する。 Below, the calculation method of Formula (3) and (4) used by this Embodiment is demonstrated in detail.
図11は、人為的に冷却速度を変化させて鋳物を鋳造した場合における冷却曲線の概略図である。横軸は時間、縦軸は鋳物の温度を示している。この冷却曲線は、実際に鋳物の鋳造を繰り返して測定した結果を示したものである。このように冷却速度を変化させて測定する理由は、既に説明したように、鋳造条件を変更すれば冷却曲線も変化し、結果的にこれに対応する熱物性値も変化するからである。 FIG. 11 is a schematic diagram of a cooling curve when a casting is cast while artificially changing the cooling rate. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the temperature of the casting. This cooling curve shows the result of actual measurement by repeatedly casting the casting. The reason why the measurement is performed while changing the cooling rate in this manner is that, as already described, if the casting conditions are changed, the cooling curve also changes, and as a result, the corresponding thermophysical property value also changes.
冷却曲線B1は鋳物を徐冷して炭素元素が完全黒鉛化したときの冷却曲線であり、このときの共晶凝固開始温度はT3である。共晶凝固開始温度T3はTLmaxと等しい。冷却曲線A2は人為的に冷却速度を変えなかったときの冷却曲線であり、このときの共晶凝固開始温度はT2である。冷却曲線A3は鋳物を急冷して完全レデブライト化したときの冷却曲線であり、このときの共晶凝固開始温度はT1である。図に示すように、冷却曲線B2は冷却曲線B1〜B3により囲まれる領域に存在している。このとき、共晶凝固開始温度T5は共晶凝固開始温度T4〜T6の範囲に存在している。 Cooling curve B 1 represents a cooling curve when the carbon element was gradually cooled casting has completely graphitized, eutectic solidification starting temperature at this time is T 3. Eutectic solidification starting temperature T 3 is equal to T Lmax. Cooling curve A 2 is a cooling curve when not change the artificially cooling rate, the eutectic solidification starting temperature at this time is T 2. Cooling curve A 3 is the cooling curve of when fully ledeburitic of quenched casting, eutectic solidification starting temperature at this time is T 1. As shown, the cooling curve B 2 is present in a region surrounded by the cooling curve B 1 ~B 3. At this time, the eutectic solidification starting temperature T 5 is present in the range of the eutectic solidification starting temperature T 4 through T 6.
図12は、図11に示した冷却曲線B1〜B3の測定結果から共晶凝固開始温度と共晶凝固開始時の冷却速度との関係を求めた結果を示したものである。横軸は共晶凝固開始時の冷却速度、縦軸は共晶凝固開始温度を示している。 FIG. 12 shows the result of determining the relationship between the eutectic solidification start temperature and the cooling rate at the start of eutectic solidification from the measurement results of the cooling curves B 1 to B 3 shown in FIG. The horizontal axis represents the cooling rate at the start of eutectic solidification, and the vertical axis represents the eutectic solidification start temperature.
図12に示すように、共晶凝固開始温度は共晶凝固開始時の冷却速度に反比例して低下している(曲線B’1〜B’3参照)。一の鋳造条件における鋳物の冷却速度と鋳物の共晶凝固開始温度の関係を示す曲線がB’1である場合、鋳造条件を変化させれば、鋳物の冷却速度と鋳物の共晶凝固開始温度の関係は、例えば曲線B’2、または、曲線B’3に変化する。具体的には、例えば鋳物の冷却速度がVCである場合、曲線B’1における共晶凝固開始温度はT7であるので、鋳造条件を変更すれば、曲線B’2における共晶凝固開始温度はT6に変化することが分かる。また、曲線B’2において、鋳物の冷却速度がVCからVDに変化すると、共晶凝固開始温度は、T6からT7に変化することが分かる。 As shown in FIG. 12, the eutectic solidification start temperature decreases in inverse proportion to the cooling rate at the start of eutectic solidification (see curves B ′ 1 to B ′ 3 ). If the curve showing the relationship between cooling rate and eutectic solidification starting temperature of the casting of the casting in one casting conditions is B '1, if by changing the casting conditions, the eutectic solidification starting temperature of the cooling rate and the casting of the casting For example, the curve B ′ 2 or the curve B ′ 3 changes. Specifically, for example, when the casting cooling rate is V C , the eutectic solidification start temperature in the curve B ′ 1 is T 7 , so if the casting conditions are changed, the eutectic solidification start in the curve B ′ 2 temperature it can be seen that the change in T 6. Further, in curve B ′ 2 , it can be seen that when the casting cooling rate changes from V C to V D , the eutectic solidification start temperature changes from T 6 to T 7 .
なお、それぞれの曲線は、特定の共晶凝固開始温度および特定の冷却速度で変曲点を示している。この変曲点は、チル臨界冷却速度と称され、チル臨界冷却速度よりも共晶凝固開始時の冷却速度が大きい場合には、鉄−セメンタイト系共晶凝固が起こり、チル臨界冷却速度よりも冷却速度が小さい場合には、鉄−黒鉛系共晶凝固が起こることが知られている。 Each curve indicates an inflection point at a specific eutectic solidification start temperature and a specific cooling rate. This inflection point is called the chill critical cooling rate. When the cooling rate at the start of eutectic solidification is larger than the chill critical cooling rate, iron-cementite eutectic solidification occurs, which is higher than the chill critical cooling rate. It is known that iron-graphite eutectic solidification occurs when the cooling rate is low.
ここで、本実施の形態では、凝固時の熱物性値および凝固後の熱物性値を算出するために用いる冷却速度は、ステップS433の処理で説明したように、実際の溶湯の共晶凝固開始温度ではなく、鋳物の溶湯が無限遠の時間をかけて平衡凝固したときの共晶凝固開始温度(鋳物を形成する材料が鋳鉄の場合には、鋳物溶湯中の炭素が完全黒鉛化したときの共晶凝固開始温度)を用いて算出している。しかしながら、実際の鋳造における溶湯の共晶凝固開始温度と、鋳物の溶湯中の炭素元素が完全黒鉛化した場合の共晶凝固開始温度との差は実用上無視できる範囲であるため、図12に示す曲線を数式化することによって、数式(3)として表すことができる。 Here, in the present embodiment, the cooling rate used for calculating the thermophysical value at the time of solidification and the thermophysical value after solidification is the eutectic solidification start of the actual melt as described in the process of step S433. The eutectic solidification start temperature when the casting melt is solidified over an infinite time rather than the temperature (when the material forming the casting is cast iron, the carbon in the casting melt is completely graphitized. Eutectic solidification start temperature). However, since the difference between the eutectic solidification start temperature of the molten metal in actual casting and the eutectic solidification start temperature when the carbon element in the molten metal of the casting is completely graphitized is in a practically negligible range, FIG. By formulating the curve shown, it can be expressed as Equation (3).
また、数式(4)も同様に、図2に示した冷却曲線B1〜B3の測定結果から算出している。数式(4)は、凝固潜熱量を変数とした一般的な反復解析(詳細な説明は省略する)により算出する。 Similarly, Equation (4) is calculated from the measurement results of the cooling curves B 1 to B 3 shown in FIG. Formula (4) is calculated by general iterative analysis (detailed explanation is omitted) using the amount of latent heat of solidification as a variable.
ところで、凝固後の熱物性値は、上述のように冷却速度から算出することができるが、冷却速度からそのまま算出した熱物性値を用いるのではなく、凝固組織(例えば、パーライト/フェライトの面積比率)との関係から算出される熱物性値を用いることが好ましい。 By the way, although the thermophysical value after solidification can be calculated from the cooling rate as described above, the thermophysical value calculated directly from the cooling rate is not used, but the solidified structure (for example, area ratio of pearlite / ferrite) It is preferable to use thermophysical values calculated from the relationship with
このように、冷却速度から算出される凝固後の熱物性値をそのまま用いず、凝固組織との関係から求められる熱物性値を用いる理由は、次の通りである。 Thus, the reason for using the thermophysical value calculated | required from the relationship with a solidification structure | tissue is not used as it is, but the thermophysical value after the solidification computed from a cooling rate is as follows.
鋳物は、冷却速度によって、凝固後の金属組織が異なる。例えばダクタイルは、急冷するとチルを生じ、徐冷するとフェライトを晶出することが知られている。このように、鋳物を急冷した場合と徐冷した場合とでは凝固後の金属組織が異なるので、凝固後の熱物性値は異なることになる。 The cast metal has a different metal structure after solidification depending on the cooling rate. For example, ductile is known to produce chill when rapidly cooled, and to crystallize ferrite when slowly cooled. Thus, since the metal structure after solidification differs between when the casting is rapidly cooled and when it is gradually cooled, the thermophysical values after solidification are different.
したがって、冷却速度から算出される値をそのまま凝固後の熱物性値として用いるよりも、上記のように冷却速度と凝固組織との関係から、凝固後の熱物性値を算出することが好ましい。この結果、凝固組織を考慮した精度の高い解析結果が得られることになる。 Therefore, it is preferable to calculate the thermophysical value after solidification from the relationship between the cooling rate and the solidified structure as described above, rather than using the value calculated from the cooling rate as it is as the thermophysical value after solidification. As a result, a highly accurate analysis result in consideration of the solidified structure can be obtained.
なお、鋳物を形成する材料が鋳鉄の場合、冷却速度が所定の速度より大きい場合には、鉄−セメンタイト系共晶凝固における冷却速度に基づき凝固時の熱物性値および凝固後の熱物性値を算出し、当該冷却速度が所定の速度以下の場合には、鉄−黒鉛系共晶凝固における冷却速度に基づき凝固時の熱物性値および凝固後の熱物性値を算出するようにすることが好ましい。 When the material forming the casting is cast iron and the cooling rate is higher than a predetermined rate, the thermophysical value during solidification and the thermophysical value after solidification are determined based on the cooling rate in iron-cementite eutectic solidification. When the calculated cooling rate is equal to or lower than the predetermined rate, it is preferable to calculate the thermophysical value during solidification and the thermophysical value after solidification based on the cooling rate in iron-graphite eutectic solidification. .
このように、所定の冷却速度を基準として熱物性値を算出する理由は、チル臨界冷却速度を挟んで、冷却速度と、凝固時および凝固後との熱物性値の関係式が変化するからである。 Thus, the reason for calculating the thermophysical value based on the predetermined cooling rate is that the relational expression between the cooling rate and the thermophysical value at the time of solidification and after solidification changes with the chill critical cooling rate in between. is there.
したがって、所定の速度としてチル臨界冷却速度を設定し、冷却速度がチル臨界冷却速度より大きい場合には、鉄−セメンタイト共晶凝固における冷却速度との関係式を用いて凝固時および凝固後の熱物性値を算出し、冷却速度がチル臨界冷却速度以下の場合には、鉄−黒鉛共晶凝固における冷却速度との関係式を用いて凝固時および凝固後の熱物性値を算出することが好ましい。 Therefore, when the chill critical cooling rate is set as a predetermined rate and the cooling rate is larger than the chill critical cooling rate, the heat during solidification and after solidification is calculated using the relational expression with the cooling rate in iron-cementite eutectic solidification. When the physical property value is calculated and the cooling rate is equal to or less than the chill critical cooling rate, it is preferable to calculate the thermophysical value at the time of solidification and after solidification using a relational expression with the cooling rate in the iron-graphite eutectic solidification. .
次に、セルがステップS434の処理で算出した共晶凝固開始温度に達したか否かを判定する(S435)。セルの温度が前記算出した共晶凝固開始温度に達していない場合、ステップS434以下の処理を繰り返し(S435:NO)、当該セルの温度が前記算出した共晶凝固開始温度に達した場合(S435:YES)、ステップS436の処理へ進む。 Next, it is determined whether or not the cell has reached the eutectic solidification start temperature calculated in the process of step S434 (S435). When the temperature of the cell does not reach the calculated eutectic solidification start temperature, the processing after step S434 is repeated (S435: NO), and when the temperature of the cell reaches the calculated eutectic solidification start temperature (S435). : YES), the process proceeds to step S436.
次に、前記共晶凝固開始温度に達したセルに対して、前記凝固時の熱物性値を設定して伝熱凝固解析を実行する(S436)。 Next, for the cell that has reached the eutectic solidification start temperature, the thermophysical value at the time of solidification is set and the heat transfer solidification analysis is executed (S436).
ここで、鋳物を形成する材料が鋳鉄の場合、凝固時の熱物性値として、共晶凝固開始温度と凝固潜熱量とを用いることが好ましい。鋳物の場合、冷却速度が大きいと鉄−セメンタイト共晶凝固が起こりやすく、冷却速度が小さいと鉄−黒鉛共晶凝固が起こりやすい。鉄−セメンタイト共晶凝固と鉄−黒鉛共晶凝固では熱物性値のなかでも共晶凝固開始温度と凝固潜熱量に顕著な違いがあるからである。このように、凝固時の熱物性値のうち、共晶凝固開始温度と凝固潜熱量とをセルごとに付与することで、より解析精度が向上する。 Here, when the material forming the casting is cast iron, it is preferable to use the eutectic solidification start temperature and the latent heat of solidification as the thermophysical values during solidification. In the case of castings, iron-cementite eutectic solidification tends to occur when the cooling rate is high, and iron-graphite eutectic solidification tends to occur when the cooling rate is low. This is because iron-cementite eutectic solidification and iron-graphite eutectic solidification have a remarkable difference in eutectic solidification start temperature and solidification latent heat amount among thermophysical values. In this way, by adding the eutectic solidification start temperature and the solidification latent heat amount among the thermophysical values at the time of solidification, the analysis accuracy is further improved.
次に、前記伝熱凝固解析の結果に基づき、前記セルが凝固を完了したか否かを判定する(S437)。セルの凝固が完了していない場合、ステップS436以下の処理を繰り返し(S437:NO)、当該セルの凝固が完了した場合、ステップS438の処理へ進む(S437:YES)。 Next, based on the result of the heat transfer solidification analysis, it is determined whether or not the cell has completed solidification (S437). When the solidification of the cell is not completed, the processes after step S436 are repeated (S437: NO), and when the solidification of the cell is completed, the process proceeds to the process of step S438 (S437: YES).
次に、凝固が完了したセルに対して前記凝固後の熱物性値を設定し、伝熱凝固解析を実行する(S438)。そして、すべてのセルの凝固が完了すれば処理を終了し、ステップS440(図9参照)へ進む。 Next, the thermophysical value after the solidification is set for the cell that has been solidified, and a heat transfer solidification analysis is performed (S438). Then, when the solidification of all the cells is completed, the process is terminated, and the process proceeds to step S440 (see FIG. 9).
次に、すべての鋳造条件に対して伝熱凝固解析を実行したか否かを判定する(S440)。すべての鋳造条件に対して伝熱凝固解析を実行していない場合(S440:NO)、他の鋳造条件が選択され(S470)、ステップS410以下の処理を繰り返す。そして、すべての鋳造条件に対して伝熱凝固解析を実行した場合(S440:YES)、ステップS450の処理へ進む。 Next, it is determined whether or not heat transfer solidification analysis has been executed for all casting conditions (S440). When the heat transfer solidification analysis is not executed for all casting conditions (S440: NO), other casting conditions are selected (S470), and the processes in and after step S410 are repeated. And when heat transfer solidification analysis is performed with respect to all the casting conditions (S440: YES), it progresses to the process of step S450.
次に、それぞれの前記鋳造条件に対応する伝熱凝固解析から得られた情報が、規格値内であるか否かを判定する(S450)。鋳造条件のうちの少なくとも一つの解析結果が規格値内でないと判定した場合(S450:NO)、解析モデルを変更する(S460)。そして、総ての鋳造条件に対応する伝熱凝固解析から得られた結果が、規格値内である判定した場合(S450:YES)、処理を終了する。 Next, it is determined whether or not the information obtained from the heat transfer solidification analysis corresponding to each casting condition is within the standard value (S450). When it is determined that at least one analysis result of the casting conditions is not within the standard value (S450: NO), the analysis model is changed (S460). And when it determines with the result obtained from the heat-transfer solidification analysis corresponding to all the casting conditions being within a specification value (S450: YES), a process is complete | finished.
以上のように構成された本発明に係る鋳造方案設計方法およびその設計装置によれば、複数水準の鋳造条件に対応した熱物性値が算出され、さらに、鋳物の冷却速度から算出される熱物性値を用いて伝熱凝固解析が実行される。この結果、鋳造条件の変動に伴い変化する鋳物の熱物性値に対応した解析結果が得られることになり、精度の高い鋳造方案を提供することができる。 According to the casting method design method and the design apparatus according to the present invention configured as described above, thermophysical values corresponding to a plurality of levels of casting conditions are calculated, and further, thermophysical properties calculated from the cooling rate of the casting A heat transfer solidification analysis is performed using the values. As a result, an analysis result corresponding to the thermophysical property value of the casting that changes as the casting conditions change can be obtained, and a highly accurate casting method can be provided.
また、本発明に係る鋳造方案設計方法およびその設計装置では、伝熱凝固解析結果から得られる情報を加工することによって、解析モデルの全部または一部における欠陥判定パラメータを数値、色彩、グラフ、または図形などを用いて表示することができる。 Further, in the casting method design method and the design apparatus according to the present invention, by processing information obtained from the heat transfer solidification analysis results, the defect determination parameters in all or part of the analysis model are numerical values, colors, graphs, or It can be displayed using graphics.
また、本発明に係る鋳造方案設計方法をコンピュータが読み取り可能なようにプログラム化したり、このプログラム化したデータを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録したりすることもできる。 Moreover, the casting plan design method according to the present invention can be programmed so as to be readable by a computer, and the programmed data can be recorded on a computer-readable recording medium.
本発明は、鋳物の伝熱凝固解析、または、鋳物の伝熱凝固解析に基づく鋳造方案に関する技術分野に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful in the technical field related to a casting method based on a heat transfer solidification analysis of a casting or a heat transfer solidification analysis of a casting.
100 鋳造方案設計装置、
111 CPU、
113 RAM、
115 ROM、
117 ハードディスク、
121 ディスプレイ、
131 入力部、
200 鋳物
210 チラー
A0、A15 冷却曲線、
B1〜B3 冷却曲線、
C0、C15、C’0、C’15 鋳物先端部からの距離と冷却速度との関係を示す曲線、
B’1〜B’3 共晶凝固開始時の冷却速度の変化曲線
T0、T15、T1〜T7 共晶凝固開始温度、
VA〜VD 冷却速度。
100 casting plan design equipment,
111 CPU,
113 RAM,
115 ROM,
117 hard disk,
121 display,
131 input section,
200 casting 210 chiller A 0 , A 15 cooling curve,
B 1 ~B 3 cooling curve,
C 0 , C 15 , C ′ 0 , C ′ 15 Curve showing the relationship between the distance from the casting tip and the cooling rate,
B ′ 1 -B ′ 3 Change rate curve of cooling rate at the start of eutectic solidification T 0, T 15 , T 1 -T 7 eutectic solidification start temperature,
V A to V D cooling rate.
Claims (15)
前記解析モデルに対して複数水準の鋳物の鋳造条件を設定する段階と、
前記複数水準の鋳物の鋳造条件にそれぞれ対応する前記鋳物の熱物性値を算出する段階と、
前記算出した熱物性値を用いて、前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する前記鋳物の伝熱凝固解析を実行する段階と、
前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する伝熱凝固解析から得られた情報が、所定の品質許容範囲内であるか否かを判定する段階と、
を含むことを特徴とする鋳造方案設計方法。 A casting design design method based on heat transfer solidification analysis of a casting using an analysis model formed from a plurality of elements,
Setting casting conditions for multiple levels of castings for the analytical model;
Calculating thermophysical property values of the castings respectively corresponding to casting conditions of the castings of the plurality of levels;
Performing the heat transfer solidification analysis of the casting respectively corresponding to the plurality of levels of casting conditions using the calculated thermophysical property values;
Determining whether the information obtained from the heat transfer solidification analysis corresponding to each of the plurality of levels of casting conditions is within a predetermined acceptable quality range;
A casting method design method characterized by comprising:
前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する伝熱凝固解析から得られた情報の少なくとも一つの情報が前記品質許容範囲外である場合、前記解析モデルを変更する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の鋳造方案設計方法。 After determining whether it falls within the predetermined quality tolerance range,
The method further includes a step of changing the analysis model when at least one piece of information obtained from the heat transfer solidification analysis corresponding to each of the plurality of levels of casting conditions is out of the acceptable quality range. Item 2. A casting design method according to Item 1.
前記変更した解析モデルに対して請求項1に記載の前記鋳物の熱物性値を算出する段階から前記所定の品質許容範囲内であるか否かを判定する段階を実行することを特徴とする請求項2に記載の鋳造方案設計方法。 After the step of changing the analysis model,
The step of determining whether or not the predetermined analysis quality is within the predetermined allowable range from the step of calculating the thermophysical value of the casting according to claim 1 is performed on the changed analysis model. Item 3. A casting design method according to Item 2.
前記鋳物の溶湯の凝固前の熱物性値を用いて相互に隣接する前記要素間の伝熱計算を実行する段階と、
前記伝熱計算に基づき前記要素の冷却速度を算出する段階と、
算出した冷却速度に基づき、前記鋳物の溶湯が共晶凝固を開始するときの凝固時の熱物性値と前記鋳物の溶湯が共晶凝固を完了した後の凝固後の熱物性値とを算出する段階と、
前記冷却速度から算出した前記凝固時の熱物性値と前記凝固後の熱物性値とを用いて伝熱凝固解析を実行する段階と、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の鋳造方案設計方法。 Performing a heat transfer solidification analysis of the casting corresponding to each of the plurality of levels of casting conditions,
Performing a heat transfer calculation between the elements adjacent to each other using the thermophysical property values before solidification of the melt of the casting;
Calculating a cooling rate of the element based on the heat transfer calculation;
Based on the calculated cooling rate, a thermophysical value at the time of solidification when the molten metal of the casting starts eutectic solidification and a thermophysical value after solidification after the molten metal of the casting has completed eutectic solidification are calculated. Stages,
Performing a heat transfer solidification analysis using the thermophysical value at the time of solidification calculated from the cooling rate and the thermophysical value after the solidification;
The casting method design method according to claim 1, comprising:
前記要素の温度が所定の温度に達したときに実行されることを特徴とする請求項4に記載の鋳造方案設計方法。 Calculating the cooling rate of the element based on the heat transfer calculation,
The casting method design method according to claim 4, wherein the casting method is performed when the temperature of the element reaches a predetermined temperature.
共晶凝固を開始した要素に対して前記凝固時の熱物性値を設定する段階と、
共晶凝固が完了した要素に対して前記凝固後の熱物性値を設定する段階と、
を含むことを特徴とする請求項4に記載の鋳造方案設計方法。 The step of performing the heat transfer solidification analysis using the thermophysical value at the time of solidification calculated from the cooling rate and the thermophysical property value after the solidification,
Setting a thermophysical value at the time of solidification for an element that has started eutectic solidification;
Setting a post-solidification thermophysical value for an element that has undergone eutectic solidification;
The casting method design method according to claim 4, comprising:
前記共晶凝固を開始した要素に対して前記凝固時の熱物性値を設定する段階は、
前記共晶凝固開始温度に達した要素に対して、前記凝固時の熱物性値を設定することを特徴とする請求項9に記載の鋳造方案設計方法。 The thermophysical property value at the time of solidification includes a eutectic solidification start temperature calculated from the cooling rate,
The step of setting the thermophysical value at the time of solidification for the element that has started eutectic solidification,
The casting design method according to claim 9, wherein a thermophysical value at the time of solidification is set for an element that has reached the eutectic solidification start temperature.
前記鋳物を形成する材料の成分、前記鋳物を形成する材料の溶湯温度、接種材の種類、接種材の添加量、およびフェーディング時間のうちの少なくともいずれか一つを前記鋳造条件として設定することを特徴とする請求項1に記載の鋳造方案設計方法。 The stage of setting the casting conditions for multiple levels of castings is:
Setting at least one of the components of the material forming the casting, the molten metal temperature of the material forming the casting, the type of inoculum, the amount of inoculum added, and the fading time as the casting condition The casting method design method according to claim 1.
前記伝熱凝固解析によって得られた情報を加工して表示する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の鋳造方案設計方法。 After determining whether the quality is within the predetermined acceptable range,
The casting method design method according to claim 1, further comprising processing and displaying information obtained by the heat transfer solidification analysis.
前記解析モデルに対して複数水準の鋳物の鋳造条件を設定する鋳造条件設定手段と、
前記複数水準の鋳物の鋳造条件に対応する前記鋳物の熱物性値を算出する熱物性値算出手段と、
前記算出した熱物性値を用いて、前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する前記鋳物の伝熱凝固解析を実行する伝熱凝固解析手段と、
前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する伝熱凝固解析から得られた情報が、所定の品質許容範囲内か否かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする鋳造方案設計装置。 A casting design design device based on heat transfer solidification calculation of a casting using an analysis model formed from a plurality of elements,
Casting condition setting means for setting casting conditions for a plurality of levels of castings for the analysis model;
Thermophysical property value calculating means for calculating the thermophysical property value of the casting corresponding to the casting conditions of the castings of the plurality of levels;
Using the calculated thermophysical property value, heat transfer solidification analysis means for executing heat transfer solidification analysis of the casting respectively corresponding to the plurality of levels of casting conditions;
Determination means for determining whether the information obtained from the heat transfer solidification analysis corresponding to each of the plurality of levels of casting conditions is within a predetermined quality tolerance range;
A casting plan design device characterized by comprising:
前記解析モデルに対して複数水準の鋳物の鋳造条件を設定する手順と、
前記複数水準の鋳物の鋳造条件に対応する前記鋳物の熱物性値を算出する手順と、
前記算出した熱物性値を用いて、前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する前記鋳物の伝熱凝固解析を実行する手順と、
前記複数水準の鋳造条件にそれぞれ対応する伝熱凝固解析から得られた情報が、所定の品質許容範囲内か否かを判定する手順と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする鋳造方案設計プログラム。 A casting design design program based on heat transfer solidification calculation of a casting using an analysis model formed from a plurality of elements,
A procedure for setting casting conditions of a plurality of castings for the analysis model;
A procedure for calculating a thermophysical value of the casting corresponding to casting conditions of the castings of the plurality of levels;
Using the calculated thermophysical property value, a procedure for performing heat transfer solidification analysis of the casting respectively corresponding to the plurality of levels of casting conditions;
A procedure for determining whether or not the information obtained from the heat transfer solidification analysis corresponding to each of the plurality of levels of casting conditions is within a predetermined quality tolerance range;
Casting program design program characterized by causing a computer to execute.
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